WO2003004436A1 - Keramikmaterial, keramisches vielschichtbauelement und verfahren zur herstellung des bauelements - Google Patents

Keramikmaterial, keramisches vielschichtbauelement und verfahren zur herstellung des bauelements Download PDF

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Definitions

  • Ceramic material ceramic multilayer component and method for producing the component
  • the invention relates to a ceramic material containing barium titanate.
  • the invention further relates to a ceramic multilayer component with the ceramic material. Furthermore, the invention relates to a method for producing the component.
  • Ceramic materials are known which are suitable for producing multilayer capacitors and which have a dielectric constant e of approximately 50 or more. These ceramic materials have the disadvantage that the production of multilayer capacitors with very small capacitance values is difficult due to the relatively large dielectric constant.
  • the internal electrodes which are usually a mixture of silver and platinum, the mixing ratio Ag / Pd being 50/50.
  • platinum is expensive to procure, which results in high costs.
  • the aim of the present invention is therefore to provide a ceramic material which has a relatively low dielectric constant.
  • the invention specifies a ceramic material which contains barium titanate (B i 4 ⁇ g) and additionally 0.1 to 0.5 percent by weight Mn2Ü 3 .
  • Mn2Ü 3 gives the ceramic material based on barium titanate a low dielectric constant, which is between 35 and 38. This makes it easier to set small capacitance values in the manufacture of a multilayer capacitor without a very precise one
  • the ceramic material additionally contains a proportion of d2Ü3 which does not exceed 0.2 percent by weight.
  • Nd2Ü 3 has the advantage that the ceramic material according to the invention has the so-called "C0G characteristic".
  • the invention also provides a ceramic multilayer component which has a layer stack of electrode layers and dielectric layers lying alternately one above the other and in which the dielectric layer ten contain the ceramic material according to the invention.
  • a ceramic multilayer component can be a multilayer capacitor, for example, the dielectric layers forming the dielectric.
  • the electrode layers correspond to the capacitor plates.
  • a suitable arrangement of external electrodes, which are in contact with the electrode layers, enables the parallel connection of many individual capacitors.
  • the ceramic material contains a proportion of 0.2 to 1.5 percent by weight of Ag2Ü.
  • the diffusion of silver out of the electrode layers of the multilayer component according to the invention can be reduced. This enables the use of silver as the material for the electrode layers of a ceramic multilayer component according to the invention. Without the doping of the ceramic material according to the invention achieved by the addition of Ag 2 Ü, the silver present in the electrode layers would diffuse to a greater extent into the ceramic, which would lead to instability of the electrode layers.
  • the reduced diffusion of electrode metal allows the production of capacitors in which, with a dielectric layer thickness between 5 and 60 ⁇ m, an electrode layer thickness of at most 1.5 ⁇ m is sufficient to keep a homogeneous, continuous electrode layer even after sintering.
  • Electrode layers have the advantage that, in addition to a reduced consumption of metal material, which plays a role in particular when using noble metals such as silver or palladium, a reduced delamination due to a reduced difference in the shrinkage behavior of the electrode and dielectric layer is observed.
  • an electrode layer of small thickness has the advantage of one higher utilization of the volume with the same capacitance of the capacitor.
  • the ceramic material contains 1 to 10 percent by weight of Bi4Ti3 ⁇ ] _2.
  • the bismuth titanate has the function of a sintering aid.
  • the addition of a sintering aid to the ceramic material results in the advantage that the sintering temperature at which the ceramic material is to be sintered can be reduced to a temperature between 1000 and 1200 ° C., which in turn allows a high proportion of silver in the electrode layers.
  • This relatively high proportion of silver in the electrode layer is made possible by doping the ceramic material with Ag2 ⁇ 3 and by lowering the sintering temperature using the sintering aid. Without a reduction in the sintering temperature, the proportion of palladium would have to be higher, since palladium melts at a higher temperature than silver. However, a higher proportion of palladium also causes higher costs for the production of a component.
  • a method for producing the ceramic material can have the following steps, for example:
  • the invention provides a method for manufacturing a multilayer ceramic component to, wherein a stack of superimposed ceramic green sheets B i4 ⁇ g with a proportion of 1 to 10 wt .-% Bi Ti3 ⁇ i2 un ⁇ electrode layers is sintered containing and wherein the sintering at a temperature of 1000 and 1150 ° C takes place.
  • This method according to the invention is made possible by the addition of the sintering aid. It has the advantage that the sintering temperature can be kept so low that electrode layers can be used which, in addition to palladium, also contain a considerable proportion of silver. In particular, it is possible to use electrode layers which have an Ag / Pd ratio between 70/30 and 80/20.
  • FIG. 1 shows an example of a ceramic multilayer component according to the invention in a schematic cross section.
  • FIG. 2 shows the temperature behavior of the capacitance of a component according to the invention.
  • FIG. 1 shows a capacitor as an SMD-compatible component with electrode layers 1 lying one above the other, which have an electrode metal and which are separated from one another by dielectric layers 2 made of ceramic material.
  • Metallizations 3 are arranged on the end faces of the capacitor, each electrode layer 1 being electrically connected to exactly one of these metallizations 3.
  • the metallization 3 can be, for example, a layer stack made of silver, Nikkei and tin, which is particularly easy to solder.
  • the tin layer is the outermost layer that is electrodeposited on the nickel layer.
  • the ceramic material according to the invention is particularly suitable for producing multilayer capacitors with geometric dimensions of 0.6 mm in length, 0.8 mm in width and 1.2 ⁇ 0.1 mm in height and with a capacitance of 0.1 5-100 pF.
  • the dielectric layers are made of a ceramic material that contains barium titanate and 0.2 percent by weight Mn ⁇ 4.
  • a multilayer capacitor with five internal electrodes and ceramic layers between them was produced from a ceramic composition according to the invention with a content of 0.2% by weight of Mn2Ü 3 and a content of 0.1% by weight of Nd2Ü 3 and various electrical characteristics measured.
  • the following table shows the electrical characteristics such as capacitance C, loss angle tan ⁇ , the dielectric constant e and the relative change in capacitance in relation to the capacitance at 25 ° C (TKC), once at - 55 ° C and once at 125 ° C.
  • the table shows that the ceramic material according to the invention has a dielectric constant of 38.6.
  • FIG. 2 shows the relative change in the capacitance of the capacitor from the table as a function of the temperature.
  • the capacitor fulfills the requirements according to the C0G characteristic.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Keramikmaterial auf der Basis von BaTi4O9, das zusätzlich noch 0,1-0,5 Gewichtsprozent Mn2O3 und Nd2O3 enthält. Ferner betrifft die Erfindung ein keramisches Vielschicht-Bauelement mit dem erfindungsgemäßen Keramikmaterial sowie ein Verfahren zur Herstellung des Vielschicht-Bauelements. Durch die Zugabe von Mn2O3 zum Bariumtitanat kann erreicht werden, daß das Keramikmaterial eine kleine Dielektrizitätskonstante aufweist, was die Herstellung von Vielschicht-Kondensatoren mit kleinen Kapazitäten erleichtert.

Description

Beschreibung
Keramikmaterial, keramisches Vielschichtbauelement und Verfahren zur Herstellung des Bauelements
Die Erfindung betrifft ein Keramikmaterial, das Bariumtitanat enthält. Ferner betrifft die Erfindung ein keramisches Vielschichtbauelement mit dem Keramikmaterial. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des Bau- elements.
Es sind Keramikmaterialien bekannt, die zur Herstellung von Vielschichtkondensatoren geeignet sind und die eine Dielektrizitätskonstante e von etwa 50 oder mehr aufweisen. Diese Keramikmaterialien haben den Nachteil, daß die Herstellung von Vielschicht-Kondensatoren mit sehr kleinen Kapazitätswerten aufgrund der relativ großen Dielektrizitätskonstante erschwert ist.
Aus der Druckschrift Mhaisalkar, S. G. ; Readey, D. W. ; Akbar, S. A. ; Microwave Dielectric Properties of Doped
Figure imgf000002_0001
. J. Am. Ceram. Soc . 74 [8] (1991) 1894-1898 sind darüber hinaus Keramikmaterialien bekannt, die eine niedrige Dielektrizitätskonstante e =35 aufweisen und die neben
Figure imgf000002_0002
noch nC>2 be- ziehungsweise BaCC>3 enthalten. Diese Keramikmaterialien haben den Nachteil, daß sie bei relativ hohen Sintertemperaturen größer als 1200°C gesintert werden müssen und daher den Einsatz von Innenelektroden mit einem hohen Silberanteil aufgrund des Schmelzpunkts von reinem Silber von 1083 °C nicht erlauben. Daher entstehen beim Herstellen von Vielschicht- Kondensatoren mit diesen bekannten Keramikmaterialien hohe Materialkosten für die Innenelektroden, die üblicherweise eine Mischung aus Silber und Platin darstellen, wobei das Mischungsverhältnis Ag/Pd 50/50 beträgt. Platin ist jedoch teu- er in der Beschaffung, wodurch hohe Kosten entstehen. Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Keramikmaterial anzugeben, das eine relativ niedrige Dielektrizitätskonstante aufweist.
Dieses Ziel wird erfindungsgemäß durch ein Keramikmaterial nach Patentanspruch 1 erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung, ein keramisches Vielschichtbauelement mit dem erfindungsgemäßen Keramikmaterial und ein Verfahren zur Herstellung des Bauelements sind den weiteren Patentansprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung gibt ein Keramikmaterial an, das Bariumtitanat (B i4θg) und zusätzlich 0,1 bis 0,5 Gewichtsprozent Mn2Ü3 enthält .
Durch die Zugabe von Mn2Ü3 erhält das auf Bariumtitanat basierende Keramikmaterial eine niedrige Dielektrizitätskonstante, die zwischen 35 und 38 liegt. Dadurch wird es erleichtert, bei der Herstellung eines VielSchicht-Kondensators kleine Kapazitätswerte einzustellen, ohne eine sehr genaue
Maßhaltigkeit der verwendeten Schichten, sowohl bezüglich deren Dicke (wirksam als Dielektrikum) als auch deren Fläche (bestimmt die wirksame Kondensatorplattenfläche) einhalten zu müssen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung enthält das Keramikmaterial zusätzlich einen Anteil von d2Ü3, der 0,2 Gewichtsprozent nicht überschreitet.
Durch die Zugabe von Nd2Ü3 wird der Vorteil erzielt, daß das erfindungsgemäße Keramikmaterial die sogenannte "C0G- Charakteristik" aufweist .
Dementsprechend gibt die Erfindung auch ein keramisches Viel- schicht-Bauelement an, das einen Schichtstapel aus abwechselnd übereinander liegenden Elektrodenschichten und Dielektrikumschichten aufweist und bei dem die Dielektrikumschich- ten das erfindungsgemäße Keramikmaterial enthalten. Ein solches keramisches Vielschicht-Bauelement kann beispielsweise ein Vielschicht-Kondensator sein, wobei die Dielektrikumschichten das Dielektrikum bilden. Die Elektrodenschichten entsprechen den Kondensatorplatten. Durch eine geeignete Anordnung von Außenelektroden, die mit den Elektrodenschichten kontaktiert sind, kann die Parallelschaltung vieler Einzelkondensatoren realisiert werden.
Es ist darüber hinaus vorteilhaft, wenn das Keramikmaterial einen Anteil von 0,2 bis 1,5 Gewichtsprozent von Ag2Ü enthält. Durch die dadurch erzielt Dotierung des Keramikmaterials mit Silber kann das Eindiffundieren von Silber aus den Elektrodenschichten des erfindungsgemäßen Vielschicht- Bauelements verringert werden. Dadurch wird die Verwendung von Silber als Material für die Elektrodenschichten eines erfindungsgemäßen keramischen Vielschicht-Bauelements ermöglicht. Ohne die durch die Zugabe von Ag2Ü erzielte Dotierung des erfindungsgemäßen Keramikmaterials würde das in den Elek- trodenschichten vorhandene Silber verstärkt in die Keramik diffundieren, was zu einer Instabilität der Elektrodenschichten führen würde .
Die verminderte Diffusion von Elektrodenmetall erlaubt die Herstellung von Kondensatoren, bei denen bei einer Dielektrikumschichtdicke zwischen 5 und 60 μm eine Elektrodenschicht- dicke von maximal 1,5 μm ausreicht, um auch nach dem Sintern eine homogene, durchgehende Elektrodenschicht zu behalten.
Diese dünnen Elektrodenschichten haben den Vorteil, daß neben einem verringerten Verbrauch an Metallmaterial, der insbesondere bei Verwendung von Edelmetallen wie Silber oder Palladium eine Rolle spielt, eine reduzierte Delamination aufgrund eines verringerten Unterschieds im Schwindungsverhalten von Elektroden- und Dielektrikumschicht beobachtet wird. Zudem hat eine Elektrodenschicht geringer Dicke den Vorteil einer höheren Ausnutzung des Volumens bei gleichbleibender Kapazität des Kondensators .
Desweiteren ist es vorteilhaft, wenn das Keramikmaterial 1 bis 10 Gewichtsprozent von Bi4Ti3θ]_2 enthält. Das Wismuthti- tanat hat dabei die Funktion eines Sinterhilfsmittels. Aus der Zugabe eines Sinterhilfsmittels zum Keramikmaterial resultiert der Vorteil, daß die Sintertemperatur, bei der das Keramikmaterial zu sintern ist, auf eine Temperatur zwischen 1000 und 1200 °C abgesenkt werden kann, was wiederum einen hohen Silberanteil in den Elektrodenschichten erlaubt.
Dementsprechend ist auch ein Vielschicht-Bauelement besonders vorteilhaft, bei dem die Elektrodenschichten eine Mischung aus Silber und Palladium im Gewichtsverhältnis Ag/Pb = 80/20 enthält. Dieser relativ hohe Silberanteil in der Elektrodenschicht wird ermöglicht durch die Dotierung des Keramikmaterials durch Ag2<3 sowie durch die Herabsetzung der Sintertemperatur mittels des Sinterhilfsmittels. Ohne eine Herabset- zung der Sintertemperatur müßte der Palladiumanteil höher liegen, da Palladium bei einer höheren Temperatur schmilzt als Silber. Ein höherer Palladiumanteil verursacht aber auch höhere Kosten für die Herstellung eines Bauelements.
Ein Verfahren zur Herstellung des Keramikmaterials kann zum Beispiel folgende Schritte aufweisen:
a) Herstellen einer Mischung von geeignete Ausgangsstoffen. b) Umsetzen der Mischung bei einer Temperatur zwischen 1000 und 1150 °C für eine Dauer von 1-5 Stunden. c) Mahlen der umgesetzten Mischung.
Folgende zusätzliche Schritte sind möglich:
d) Herstellen eines Schlickers aus der umgesetzten Mischung e) Zugabe von Ba4Ti3Ü]_2 und AgÜ2 zum Schlicker. Darüber hinaus gibt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Vielschicht-Bauelements an, wobei ein Stapel von übereinander liegenden keramischen Grünfolien enthaltend B i4θg mit einem Anteil von 1 bis 10 Gew.-% Bi Ti3θi2 un^ Elektrodenschichten gesintert wird und wobei die Sinterung bei einer Temperatur von 1000 und 1150°C erfolgt.
Dieses erfindungsgemäße Verfahren wird ermöglicht durch die Zugabe des Sinterhilfsmittels. Es hat den Vorteil, daß die Sintertemperatur so niedrig gehalten werden kann, daß Elektrodenschichten verwendet werden können, die neben Palladium auch einen beträchtlichen Silberanteil enthalten. Insbesondere ist es möglich, Elektrodenschichten zu verwenden, die Ag/Pd-Verhältnis zwischen 70/30 und 80/20 aufweisen.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei- spiels und den dazu gehörigen Figuren näher erläutert.
Figur 1 zeigt beispielhaft ein erfindungsgemäßes keramisches Vielschicht-Bauelement im schematischen Querschnitt.
Figur 2 zeigt das Temperaturverhalten der Kapazität eines erfindungsgemäßen Bauelements .
Figur 1 zeigt einen Kondensator als SMD-fähiges Bauelement mit übereinander liegenden Elektrodenschichten 1, die ein Elektrodenmetall aufweisen und die durch Dielektrikumschichten 2 aus Keramikmaterial voneinander getrennt sind. Auf den Stirnseiten des Kondensators sind Metallisierungen 3 angeordnet, wobei jede Elektrodenschicht 1 mit genau einer dieser Metallisierungen 3 elektrisch verbunden ist. Die Metallisierung 3 kann beispielsweise ein Schichtstapel aus Silber, Nikkei und Zinn sein, der besonders leicht lötbar ist. Dabei ist die Zinnschicht die äußerste Schicht, die galvanisch auf der NickelSchicht abgeschieden wird. Das erfindungsgemäße Keramikmaterial ist insbesondere geeignet zur Herstellung von Vielschicht-Kondensatoren mit geometrischen Abmessungen von 0,6 mm in der Länge, 0,8 mm in der Breite und 1,2 ± 0 , 1 mm in der Höhe und mit einer Kapazität von 0,5-100 pF.
Die Dielektrikumschichten sind dabei hergestellt aus einem Keramikmaterial, das Bariumtitanat und 0,2 Gewichtsprozent Mn θ4 enthält .
Es wurde ausgehend von Bariumtitanat ein Vielschichtkondensa- tor mit fünf Innenelektroden und dazwischenliegenden Keramikschichten aus einer erfindungsgemäßen Keramikzusammensetzung mit einem Gehalt von 0,2 Gew.-% an Mn2Ü3 und einem Gehalt von 0,1 Gew.-% an Nd2Ü3 hergestellt und verschiedene elektrische Kenndaten gemessen. Die folgende Tabelle zeigt die elektrischen Kenndaten wie Kapazität C, Verlustwinkel tan δ die Dielektrizitätskonstante e und die relative Änderung der Kapazität bezogen auf die Kapazität bei 25°C (TKC) , einmal bei - 55°C und einmal bei 125°C.
Tabelle: Elektrische Kenndaten eines Kondensators beziehungsweise der erfindungsgemäßen Keramik
Figure imgf000007_0001
Die Tabelle zeigt, daß das erfindungsgemäße Keramikmaterial eine Dielektrizitätskonstante von 38,6 aufweist.
Figur 2 zeigt die relative Änderung der Kapazität des Konden- sators aus der Tabelle in Abhängigkeit von der Temperatur. Der Kondensator erfüllt die Vorgaben gemäß der C0G- Charakteristik.

Claims

Patentansprüche
1. Keramikmaterial auf der Basis von BaTi4θg, das zusätzlich 0,1 bis 0,5 Gewichtsprozent Mn2θ3 und bis zu 0,2 Ge- ichtsprozent Nd2θ3 enthält .
2 . Keramikmaterial nach Anspruch 1, das zusätzlich bis zu 2 Gewichtsprozent Ag2θ enthält.
3. Keramikmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 3, das zusätzlich als Sinterhilfsmittel zwischen 1 und 10 Gewichtsprozent Bi4Ti3θ]_2 enthält.
4. Keramisches Vielschicht-Bauelement mit einem Schichtsta- pel aus abwechselnd übereinander liegenden Elektrodenschichten (1) und Dielektrikumschichten (2) , bei dem die Dielektrikumschichten (2) ein Keramikmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 3 enthalten..
5. Bauelement nach Anspruch 4, bei dem die Elektrodenschichten (1) eine Mischung aus Silber und Palladium im Gewichtsverhältnis Ag/Pd zwischen 70/30 und 80/20 enthalten.
6. Bauelement nach einem der Ansprüche 4 oder 5, bei dem die Elektrodenschichten mit einer Metallisierung (3) an der
Außenseite des Schichtstapels kontaktiert sind, bei dem benachbarte Elektrodenschichten (1) mit verschiedenen Metallisierungen (3) kontaktiert sind, bei dem der Schichtstapel äußere Abmessungen von 1,5 mm in der Höhe, 1,6 mm in der Breite und 2 mm in der Höhe nicht überschreitet und bei dem die zwischen den Metallisierungen (3) gemessene Kapazität 100 pF nicht überschreitet .
7. Verfahren zur Herstellung eines keramischen Vielschicht- Bauelements, wobei ein Stapel aus übereinander liegenden keramischen Grünfolien, die BaTi4θg und 1 bis 10 Gewichtsprozent Bi4Ti3θ]_2 als Sinterhilfsmittel enthalten, und zwischen deren Elektrodenschichten (1) angeordnet sind, gesintert wird und wobei die Sinterung bei einer Temperatur zwischen 1000 und 1150°C erfolgt.
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